4Autor Titel (gegebenenfalls gekürzt)

© Carl Hanser Verlag Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 11 (2015) 5

11 (2015) 5 eingereicht/handed in: 16.04.2015 angenommen/accepted: 25.05.2015

Prof. Dr.-Ing. Johannes Wortberg, Dipl.-Ing. Gregor Karrenberg Institut für Produkt Engineering (IPE), Universität Duisburg-Essen

Alternative Plastifizierkonzepte für die High-Speed-Extrusion – Der High-Speed-S-Truder mit rotierender Schneckenhülse Am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen wird ein neuartiges High-Speed-Extrusionskonzept, der sogenannte High-Speed-S-Truder, entwickelt, das auf der Trennung von Schmelze und Feststoff mittels einer speziellen Schneckenhülse beruht. Aufgeschmolzenes Material wird durch zahlreiche radiale Bohrungen in der Hülse vom Feststoff separiert und materialschonend im Gang der langsam rotierenden Schneckenhülse zur Schneckenspitze geführt. Das Konzept ermög-licht hierdurch eine konstant hohe Plastifizierleistung und reduziert die mit steigender Schnecken-drehzahl stark zunehmende Schererwärmung. Eine zufriedenstellende stoffliche und thermische Ho-mogenität konnte dank des Einsatzes eines Dynamic Mixing Rings erzielt werden.

Alternative Plasticizing Concepts for the High-Speed-Extrusion – The High-Speed-S-Truder with floating Screw Sleeve At the Institute of Product Engineering at the University of Duisburg-Essen a new high-speed extru-sion concept, the so-called high-speed S-Truder, is developed, which separates melt and solid mate-rial by use of a special screw sleeve. Molten material is discharged from the solids by numerous radial bores in the sleeve and is conveyed to the screw tip through the channel of the slowly rotating screw sleeve in a gentle manner. The concept allows a constant high plasticizing capacity and reduces the strong shear heating due to increasing screw speeds. A satisfactory material and thermal homogenei-ty could be achieved by use of a Dynamic Mixing Ring.

archivierte, peer-rezensierte Internetzeitschrift archival, peer-reviewed online Journal of the Scientific Alliance of Plastics Technology

Zeitschrift Kunststofftechnik Journal of Plastics Technology www.kunststofftech.com · www.plasticseng.com

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 329

Alternative Plastifizierkonzepte für die High-Speed-Extrusion – Der High-Speed-S-Truder mit rotierender Schneckenhülse J. Wortberg, G. Karrenberg

1 STAND DER FORSCHUNG UND TECHNIK

Die Extrusion ist eines der bedeutendsten Verfahren in der Verarbeitung von Kunststoffen. Extruder werden in der Herstellung und Aufbereitung von Rohma-terialien, in der Verarbeitung zu Produkten ebenso wie zur Wiederaufbereitung eingesetzt. Sie sind in zahlreichen Bereichen der Kunststoffindustrie anzutref-fen, und nahezu alle verarbeiteten Kunststoffe durchlaufen mindestens einmal im Rahmen ihres Lebenszyklus eine Extrusionslinie [1]. Aufgrund des ständig wachsenden Wettbewerbs am Markt sind Kunststoffver-arbeiter ebenso wie die Hersteller kunststoffverarbeitender Maschinen einem zunehmenden Kostendruck ausgesetzt. Die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Extrusionsprozesses steht daher seit langem im Fokus vieler Forschungs- und Entwicklungsarbeiten. Dieses Ziel ist in Bezug auf Herstellungs- oder Ver-arbeitungsprozesse immer eng mit den erreichbaren Durchsätzen verbunden. Für die Kunststoffextrusion bedeutet dies eine Steigerung der erzielbaren Mas-sedurchsätze bei gleichbleibender Maschinengröße und unter Einhaltung gege-bener Qualitätsstandards. Die Steigerung der Leistungsfähigkeit von Einschneckenextrudern ohne Anhe-bung des Schneckendurchmessers ist verfahrenstechnisch auf mehreren We-gen erreichbar. So konnten beispielsweise dank eines über die vergangenen Jahrzehnte stark verbesserten Prozessverständnisses Optimierungen an Zylin-der- und Schneckengeometrie vorgenommen werden. Als Beispiel für im indust-riellen Alltag etablierte Optimierungen ist etwa der Einsatz eines Nutbuchsen-extruders zur Gewährleistung eines gegendruckunabhängigen, konstanten Massedurchsatzes zu nennen. Ebenso ist die Einführung von Barriereschne-cken als wesentlicher Beitrag zur Leistungssteigerung von Extrudern zu nennen [2, 3, 4, 5]. Vor allem die Optimierung der Schneckengeometrie ist inzwischen jedoch weitgehend ausgereizt. Eine weitere Anhebung der Plastifizierleistung über das Design der Schnecke ist lediglich in begrenztem Maße zu erwarten. Ein weiterer Ansatz, der momentan das größte, noch nicht genutzte Potenzial zur Durchsatzsteigerung bietet, ist die Erhöhung der Schneckendrehzahl bis in den High-Speed-Bereich. Laut der Definition von Predöhl aus dem Jahr 1979 wird dieser erreicht, wenn die Schneckenumfangsgeschwindigkeit 1 𝑚 𝑠⁄ über-steigt [6]. Diese Grenze wird heute teils deutlich überschritten, was allerdings nicht ausschließlich an steigenden Drehzahlen, sondern auch an wachsenden Durchmesserreihen liegt. Eine neuere Definition setzt die Grenze daher in Ab-

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hängigkeit der Schneckendrehzahl bei 400 𝑚𝑚𝑚−1 [7]. Extruder, die eines dieser Kriterien erfüllen, werden als High-Speed-Extruder oder als Schnellläufer be-zeichnet. In der Doppelschneckenextrusion sind High-Speed-Extruder bereits vielfach im Einsatz. In der Einschneckenextrusion werden schnelldrehende Schnecken al-lerdings bisher nur wenig genutzt [3, 9, 10]. Denn so simpel und vielverspre-chend die Nutzung der High-Speed-Extrusion auch klingen mag, so komplex und herausfordernd ist ihre Anwendung. Verschiedenste verfahrenstechnische Problempunkte treten auf, von denen bislang nicht alle gänzlich gelöst werden konnten. So führt etwa eine Erhöhung der Schneckendrehzahl zu einer nicht linearen Durchsatzsteigerung. Der spezifische Durchsatz kann nicht mehr auf-recht gehalten werden und nimmt mit zunehmender Schneckendrehzahl immer weiter ab [3, 5, 10, 11, 12, 13]. Bedingt durch den Abfall des spez. Durchsatzes kommt es zu einer verstärkten Erwärmung des Kunststoffs und die maximal zulässigen Verarbeitungstemperaturen werden schnell erreicht. Insbesondere die thermische Belastung des Materials stellt die Entwickler von High-Speed-Extrudern daher vor eine große Herausforderung. Bedenken, dass eine mecha-nische Überbelastung des Kunststoffs bedingt durch die teils enormen Scherra-ten auftreten, sind nach aktuellen Untersuchungen hingegen unbegründet [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Um bisher erzielbare Schneckendrehzahlen weiter stei-gern zu können, ist somit vor allem eine verbesserte Kontrolle über die Schmel-zetemperatur zwingend erforderlich. Ein weiteres Problem stellen die sinkenden Verweilzeiten des Kunststoffs im Extruder dar. Diese bewirken ein „spätes“ Aufschmelzen, das zu einer unvoll-ständigen Plastifizierung einiger Materialien – wie z. B. PP, das eine hohe Schmelzenthalpie besitzt – führen kann. Eine Verlängerung des Extruders ist bei konventioneller Bauweise unumgänglich, um sicherzustellen, dass kein Feststoff im Extrudat verbleibt. Dies erfordert bei heutigen High-Speed-Extrudern meist eine Verlängerung des L/D-Verhältnisses auf ca. 30 − 40 𝐷 . Hierdurch wird bereits plastifiziertes Material allerdings erneut einer unnötig langen, hohen Scherbelastung ausgesetzt. Zudem ist eine vollständige Plastifi-zierung des Materials nicht auch mit einer zufriedenstellenden Schmelzehomo-genität gleichzusetzen. Trotz der zuvor genannten verfahrenstechnischen Probleme ist es verschiede-ne Maschinen- und Anlagenherstellern gelungen, auch im Einschneckensektor High-Speed-Extruder in kommerziellen Anwendungen zu platzieren. Hörmann liefert hierzu eine Übersicht in [21]. Moderne, auf dem Markt angebotene High-Speed-Systeme besitzen meist einen Schneckendurchmesser von etwa 60 𝑚𝑚 bis 75 𝑚𝑚, in einigen Fällen sogar bis zu 120 𝑚𝑚. Ihre Verfahrenslängen liegen zwischen 30 𝐷 und 40 𝐷. Verarbeitet werden i. d. R. Standardpolymere wie PE PP und PS, wobei je nach Material Schneckendrehzahlen von bis zu 1.500 𝑚𝑚𝑚−1 und Ausstoßleistungen von bis zu 2.500 𝑘𝑘 ℎ⁄ erreicht werden. Größere Baureihen werden nicht nachgefragt, da die bereits realisierbaren Durchsätze meist genügen und eine weitere Steigerung durch weiterverarbei-tende Folgeeinheiten ohnehin begrenzt wird [5, 11, 21]. Unterhalb dieser Ab-

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messungen stoßen die derzeitigen Entwicklungsansätze hingegen an ihre Grenzen. Vielfach wird versucht, durch alternative Konzepte Abhilfe zu schaf-fen. Als Beispiel sind z. B. dispers arbeitende Extruder zu nennen. Diese zeichnen sich durch ein gezieltes Aufbrechen des Feststoffbettes in möglichst viele klei-ne, fein dispergierte Partikel aus, die vollständig von Schmelze umspült werden. Hierdurch wird die Oberfläche des Feststoffs – verglichen mit einem kompak-tierten Feststoffbett – stark vergrößert. Der Wärmeübergang von der durch Dis-sipation erhitzten Schmelze in den Feststoff wird durch dessen Oberflächenver-größerung verbessert und somit eine Steigerung der Plastifizierleistung erzielt. Der Einsatz solcher Systeme in der High-Speed-Extrusion wird an der Universi-tät Paderborn erforscht [21]. In aktuellen Forschungsprojekten des Instituts für Kunststofftechnik der Univer-sität Stuttgart wird derzeit am High-Speed-Betrieb des sog. HELIBAR-Extruders gearbeitet [23]. Der HELIBAR-Extruder wurde Anfang der 2000er Jahre von Grünschloß mit dem Ziel entwickelt, die Leistungsfähigkeit eines Nutbuchsen-extruders mit Barriereschnecke weiter zu steigern. Hierzu wird ein einteiliger Plastifizierzylinder eingesetzt, der nicht nur im Einzugsbereich über Nuten ver-fügt, wie es vom klassischen Nutbuchsenextruder bekannt ist, sondern auch im Bereich der Plastifizierzone. Diese können als Axial- oder Wendelnuten ausge-führt sein. Gegenüber vergleichbaren Extrudern mit glattem Plastifizierzylinder ergeben sich einige Verfahrensverbesserungen, vor allem bzgl. des spezifi-schen Durchsatzes, der Förderkonstanz, eines gleichmäßigeren Druckaufbaus sowie den aufkommenden Massetemperaturen [24, 25, 26, 27]. Ein aus den USA stammendes System wurde von R. Barr entwickelt und trägt die Bezeichnung Melt Bleeder Extruder [28]. Der Melt Bleeder Extruder nutzt eine strikte Trennung von Feststoff und Schmelze, um die Plastifizierleistung zu steigern. Hierzu wird eine spezielle Schnecke verwendet, deren Stege in der Plastifizierzone parallel zur Schneckenachse verlaufen. Vor der aktiven Flanke sind Schlitze im Schneckengrund eingebracht, die eine Verbindung zu einer zentralen Bohrung im Schneckenkern herstellen. Das Material im Schnecken-gang wird durch Dissipation und den Kontakt zum beheizten Zylinder aufge-schmolzen und sammelt sich an der aktiven Flanke, von wo aus es durch die Schlitze in das Innere der Schnecke abgeführt wird. Dort wird die Schmelze als reine Druckströmung zur Schneckenspitze befördert und verlässt den Extruder. Da die Schnecke im Bereich unendlicher Gangsteigung keinerlei Pumpwirkung erzeugen kann, wird sie in einem Nutbuchsenextruder eingesetzt, so dass der notwendige Druck bereits vor der Plastifizerzone aufgebaut wird. All diese Konzepte stellen vielversprechende Ansätze dar, doch noch wird kei-nes den Ansprüchen eines industriellen Einsatzes gerecht.

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2 HIGH-SPEED-S-TRUDER

Am Institut für Produkt Engineering wird ein Extruderkonzept mit alternativer Plastifizierung entwickelt, dessen Hauptziel die Verkürzung der Vefahrenslänge bei gleichbleibendem oder gar gesteigertem Massedurchsatz durch eine ver-besserte Plastifizierleistung und gesteigerte Schneckendrehzahlen bis in den High-Speed-Bereich ist [22]. Da eine Erhöhung der Plastifizierleistung vor allem durch Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen Feststoffbett und Zylinder er-reicht werden kann [5], wird zur Realisierung dieser Ziele eine räumliche Tren-nung von Feststoff und Schmelze genutzt. In Anlehnung an die Arbeiten von Barr [28] wird hierzu innerhalb der Plastifizierzone eine die Schnecke umschlie-ßende Plastifizierhülse mit mehreren hundert radial orientierten Bohrungen ein-gesetzt. Diese wurde in den ersten S-Truder-Versionen von Kaczmarek und Großmann [5, 22] zunächst über eine Flanschverbindung in ihrer Lage fixiert und bildete gemeinsam mit dem Zylinder einen außen liegenden Ringspalt. Ei-ne Schnittdarstellung des High-Speed-S-Truder mit fixierter Plastifizierhülse ist in Bild 1 zu sehen.

Bild 1: Schnittdarstellung des High-Speed-S-Truder nach [5] (Plastifizier-

und Mischzone)

Der Kunststoff wird im Innern der Plastifizierhülse aufgeschmolzen. Es bildet sich ein dünner Schmelzefilm, der umgehend aus dem Gang der schnell rotie-renden Schnecke abgeführt wird und im außenliegenden Ringspalt unter gerin-ger Scherung durch eine reine Druckströmung in Richtung der Schneckenspitze gefördert wird. Durch den sogenannten Siebkorbmischer, einem statischen Mischelement, gelangt die Schmelze anschließend wieder in den Schnecken-gang und wird dabei vielfach geteilt und umgelagert. Der Feststoff hingegen wird durch die Plastifizierhülse und einen Barrieresteg auf der Schnecke zu-rückgehalten und kann das System nicht verlassen. Großmann erzielte mit dem 35 𝑚𝑚 High-Speed-S-Truder Durchsätze von bis zu 350 𝑘𝑘 ℎ⁄ (PE-LD / Lupo-

Plastifizierhülse PlastifizierschneckeSiebkorbmischer

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len 2420D) bei Schneckendrehzahlen von rund 2000 𝑚𝑚𝑚−1 und einem Gegen-druck von ca. 130 𝑏𝑏𝑏 [5]. Im Rahmen seiner Untersuchungen mit dem High-Speed-S-Truder zeigte sich allerdings auch, dass die stoffliche und thermische Homogenität des Extrudats auch unter Einsatz des Siebkorbmischers nicht zu-friedenstellend waren. Eine der wesentlichen an das System gestellten Vorga-ben konnte somit nicht erfüllt werden. Des Weiteren wurde eine tendenziell spä-te Abführung des überwiegenden Anteils der Schmelze in der zweiten Hälfte der Plastifizierhülse festgestellt. Daher wurden umfangreiche Untersuchungen zur Aufschmelzcharakteristik der Plastifizierhülse durchgeführt, um weiteres Grundlagenwissen über den Aufschmelzvorgang unter Abfuhr der Schmelze zu erarbeiten. Die Analyse der sich in der Plastifizierhülse einstellenden Auf-schmelz- und Strömungszustände sollten Aufschluss über die Ursachen für die unzureichende Homogenität und das unvollständige Aufschmelzen im High-Speed-S-Truder liefern. Anschließend sind konstruktive Lösungsansätze erar-beitet und in einem Prototyp umgesetzt und getestet worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind im Folgenden dargestellt.

2.1 Schneckenzugversuche Zur Betrachtung des Aufschmelzverlaufs innerhalb der Plastifizierhülse wurde ein Schneckenzugversuch durchgeführt. Mittels dieser optischen Untersuchun-gen sollte die theoretische Vorstellung des Aufschmelzprozesses in der Plastifi-zierhülse bestätigt werden. Diese geht von einer unmittelbaren und vollständi-gen Abfuhr der an der Hülseninnenwand entstehenden Schmelze aus, so dass sich ein Schmelzepool vor der aktiven Flanke des Schneckenstegs nicht bilden kann. Hierdurch ist der komplette Schneckengang stets mit Feststoff gefüllt, wodurch die Plastifizierleistung auf konstant hohem Niveau verbleibt.

Für den Schneckenzugversuch wurde ein PE-LD mit 2 %𝐺𝐺𝐺. schwarzem Farb-batch vermengt. Das Material wurde mit dem High-Speed-S-Truder bei einer Schneckendrehzahl von 800 𝑚𝑚𝑚−1 und einem Werkzeuggegendruck von 250 𝑏𝑏𝑏 verarbeitet. Der erzielte Durchsatz lag bei 126,5 𝑘𝑘 ℎ⁄ , die Schmelze-temperatur an der Schneckenspitze betrug 230 °𝐶. Eine weitere Erhöhung der Schneckendrehzahl war somit nicht möglich, da die zulässige Verarbeitungs-temperatur von 220 °𝐶 bereits leicht überschritten wurde. Nachdem sich ein konstanter Betriebspunkt eingestellt hatte, wurde der Extrusionsprozess abrupt abgebrochen und der Extruderzylinder an der Umgebungsluft abgekühlt. Nach dem Erkalten des Kunststoffs wurde der Zylinder erneut beheizt, um ein An-schmelzen lediglich der Randschichten zu bewirken. Anschließend wurden die Plastifizierhülse sowie die Schnecke aus dem Zylinder gezogen. Nach Abwick-lung des Materials von der Schnecke und der Außenseite der Hülse wurden Querschnittsproben angefertigt und untersucht. Bild 2 zeigt die Dünnschnitte aus dem Schneckengang (oben) sowie aus dem Ringspalt (unten). Die Positio-nen der jeweiligen Probenentnahmen können der Abwicklung der Schnecken-geometrie entnommen werden.

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Bild 2: Dünnschnitte nach Schneckenzugversuch mit dem High-Speed-S-

Truder

Die Einfärbung mit schwarzem Farbbatch erlaubt Rückschlüsse über den Plasti-fizierprozess. Nur Material, das bereits während der Verarbeitung (d. h. wäh-rend der Schneckenrotation) aufgeschmolzen war, konnte mit dem Farbbatch

Siebkorb-mischer Plastifizierhülse Zwischenzone Einzugszone

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vermischt und eingefärbt werden. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass die weißen, nicht eingefärbten Bereiche in den Dünnschnitten unaufgeschmolzenes Material und somit das Feststoffbett kennzeichnen. Wie in Bild 2 zu erkennen ist, enthält der Schneckengang in den vor dem Sperrsteg gelegenen Windun-gen (#10 − #21) nur geringe Anteile von schwarz eingefärbten Kunststoff. Ein deutlich ausgebildeter Schmelzewirbel ist nicht vorzufinden. Lediglich ein leich-ter Ansatz in den Windungen #14 − #19 ist erkennbar. Damit ist der vermutete Plastifizierablauf bestätigt. Hinter dem Sperrsteg (#22 − #24) ist schwarzes und somit plastifiziertes Material erkennbar. Auffällig ist vor allem die inhomogene Färbung. Weißanteile zeichnen sich deutlich ab. Dies deutet auf Granulatreste hin, die den Sperrsteg überwinden konnten. Ein ähnliches Bild ist im Ringspalt zu sehen. Dieser ist zu großen Teilen mit Schmelze gefüllt. Allerdings sind ins-besondere im Bereich des Schneckensperrsteges erhebliche Feststoffanteile vorhanden. Die vermutete Ursache ist ein Erweichen des Granulats, wodurch dieses derart verformbar wird, dass es den schmalen Spalt zwischen Sperrsteg und Hülseninnenwand sowie die feinen Bohrungen der Hülse passieren kann ohne vollständig aufzuschmelzen. Dieses unplastifizierte Material ist letztlich im Extrudat vorzufinden.

2.2 CFD-Simulation der Plastifiziervorgänge Die Ergebnisse des Schneckenzugversuchs bestätigen den erwarteten Auf-schmelzverlauf. Jedoch geben sie keinen Einblick in die dynamischen Abläufe. Es können keine Informationen bzgl. der Strömungsvorgänge entnommen wer-den. Abhilfe kann hier die rechnergestützte, numerische Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics – CFD) schaffen. CFD-Simulationen erlauben die Berechnung und Auswertung dreidimensionaler Fluidströmungen. Allerdings gehören solche Rechnungen lediglich für reine Fluidströmungen zum Stand der Technik. Modelle für Aufschmelzprozesse bestehen, unterliegen aber meist starken Einschränkungen [12]. Selbst Ansätze in kommerzieller Software sind noch nicht vollständig etabliert oder auf Kunststoffe anwendbar. Daher wurde ein eigenes Materialmodell entwickelt, das den Feststoff als hochviskoses Fluid betrachtet (vergl. u. a. [12]) und zudem eine hohe numerische Robustheit auf-weist. Neben den rheologischen Eigenschaften werden auch die thermodyna-mischen Eigenschaften sowohl für Feststoff als auch für das Fluid berücksich-tigt. Eine detaillierte Beschreibung des Modells kann [29, 30, 31] entnommen werden. Mit dem neuen Materialmodell wurde der Plastifiziervorgang im High-Speed-S-Truder simuliert. Eine stationäre, nicht-isotherme Betrachtung des Hülsenbe-reichs wurde mit der CFD-Software Ansys Fluent 14.5 durchgeführt. Zur Dar-stellung der Schneckenrotation wurde ein Multiple Reference Frame Modell ge-nutzt, d. h. die Kunststoffdomäne wurde in den äußeren, stationären Ringspalt sowie den inneren rotierenden Schneckengang gegliedert. Beide Abschnitte wurden gesondert mit einem Tetraedernetz und Randschichtvernetzung ver-netzt und anschließend separat von der Software berechnet und über ein Inter-face miteinander gekoppelt. Dieses Interface entsprach den Kontaktflächen der

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Bohrungen mit dem Leckspalt im Schneckengang. Alle Randbedingungen wur-den entsprechend von Messungen aus dem Schneckenzugsversuch gewählt (126 𝑘𝑘 ℎ⁄ bei 800 𝑚𝑚𝑚−1 und 180 𝑏𝑏𝑏 im Bereich der Schneckenbarriere). Das Feststoffbett wurde als vollständig kompaktiert und mit einer Eingangstempera-tur von 25 °𝐶 angenommen. Die Zylindertemperatur betrug 190 °𝐶, die Plastifi-zierhülse und die Schnecke wurden als adiabat definiert. Das nachfolgende Bild 3 gibt die Verteilung von Feststoff und Schmelze wieder. Blaue Bereiche zeigen reinen Feststoff, rote Bereiche markieren Schmelze. Es lassen sich somit das Vorliegen von Feststoff sowie dessen exakte Lage im System entnehmen. Deutlich erkennbar ist die korrekte Berechnung des weit-gehend unterdrückten Schmelzepools und die Abfuhr der Schmelze in den Ringspalt. Auch ist das Durchströmen der letzten Bohrungsreihen mit nicht voll-ständig plastifiziertem Material dargestellt. Die Lage des Feststoffaustritts stimmt ebenfalls mit den Resultaten aus dem Schneckenzugversuch überein.

Bild 3: Schmelze-Feststoff-Verteilung im High-Speed-S-Truder mit fixierter

Plastifizierhülse

Anhand des Vektorplots im Ringspalt lässt sich des Weiteren erkennen, dass nicht alle Bohrungsreihen der Schmelzeabfuhr dienen. So kommt es im Bereich der Markierungen zu einer Umkehr der Strömungsrichtung. Während die Schmelze im hinteren Hülsenabschnitt in Richtung der Schneckenspitze strömt, tritt im vorderen Hülsenabschnitt eine Rückströmung auf. Hierdurch kommt es zu einem Einströmen von Schmelzeanteilen aus dem Ringspalt in den Schne-ckengang durch die ersten Bohrungsreihen. Es wird vermutet, dass der leichte Ansatz des Schmelzewirbels u. a. durch dieses erneute Eintreten der Schmelze in den Schneckengang hervorgerufen wird. Zum Auffinden der Ursache dieses Strömungsverlaufs wird der Druckplot in Bild 4 herangezogen. Dieser zeigt einen moderaten, kontinuierlich verlaufenden

← Förderrichtung

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Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 337

Druckanstieg über der Schneckenlänge, der am Ende des Schneckenganges in einem extremen und rapiden Anstieg mündet. Dieser wird durch das Aufstauen von Feststoff vor dem Barrieresteg der Schnecke hervorgerufen. Durch diesen hohen Druck wird selbst das nicht vollständig geschmolzene Granulat durch die Bohrungen nach außen gepresst. Durch den Barrieresteg ist das Material ge-zwungen den Schneckengang zu verlassen, wohingegen es in den vorausge-henden Abschnitten dem Zwang der Abfuhr in den Ringspalt nur in geringerem Maße unterliegt. Dies erklärt die über der Länge der Hülse ungleichmäßig ver-laufende Materialabfuhr, die schon von Großmann in [5] beobachtet wurde. Auch bedeutet dies, dass der im Ringspalt anliegende Druckgradient der ge-wünschten Strömungsrichtung entgegengerichtet sein kann. Hierdurch kommt es zu der beobachteten Rückströmung. Anzumerken ist an dieser Stelle aber, dass der simulierte Druckanstieg zu hoch ausfällt. Ein Druck von fast 1000 𝑏𝑏𝑏 ist nicht realistisch. Dies ist darauf zurück-zuführen, dass das genutzte Materialmodell den Feststoff durch ein hochvisko-ses Fluid repräsentiert. Daher ist es nach wie vor eine frei verformbare, fließfä-hige Substanz, die bei ausreichend hohem Druck immer durch die Bohrungen gelangen kann, wohingegen ein nicht erweichtes Granulatkorn zurückgehalten werden würde. Zudem wird die späte Schmelzeabfuhr hierdurch zu stark aus-geprägt, wodurch der Druckgradient im Ringspalt hingegen sehr gering ausfällt.

Bild 4: Druckverteilung im High-Speed-S-Truder mit fixierter Plastifizierhülse

← Förderrichtung 180 bar 185 bar 180 bar

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Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 338

3 HIGH-SPEED-S-TRUDER MIT SCHNECKENHÜLSE

Mit den oben beschriebenen Versuchen und Simulationen konnten die Ursache für die unzureichende Schmelzehomogenität ebenso wie die Gefahr einer inef-fektiven Schmelzeströmung im Ringspalt aufgezeigt werden. Um diesen Prob-lemen entgegenzuwirken, wurde ein neuer Prototyp des High-Speed-S-Truder entwickelt, der einen Dynamic Mixing Ring sowie eine frei rotierende Plastifi-zierhülse einsetzt. Bei der neuen Plastifizierhülse handelt es sich um eine Hohl-schnecke, die ebenfalls über zahlreichen Radialbohrungen verfügt und über Schleppkräfte angetriebene wird. Der ehemals starre äußere Ringspalt ist somit einem äußeren Schneckengang gewichen. Die Hohlschnecke wird im Folgen-den als Schneckenhülse bezeichnet. Die Idee einer solchen Hülse wurde bereits von Barr in [28] angesprochen, aber nie umgesetzt. Die Kombination mit einem dynamischen Mischteil hingegen ist gänzlich neu. Die Wahl eines Dynamic Mixing Rings wurde auf Grundlage der am Institut für Produkt Engineering durchgeführten Arbeiten von Gorczyca ge-troffen. Gorczyca testete in [11] diverse Mischelemente für ihren Einsatz unter High-Speed-Bedingungen. Der Einsatz eines Dynamic Mixing Rings wurde als möglich aufgezeigt. Versuche bezüglich der Homogenisierung zeigten sehr gute Ergebnisse. Die Temperaturentwicklung sowie der Druckbedarf erschienen ak-zeptabel. Der High-Speed-S-Truder mit Schneckenhülse wird ebenso wie das Vorgän-germodell bei hohen Drehzahlen betrieben und ermöglicht folglich den Einsatz eines elektrischen Direktantriebes. Dabei handelt es sich um einen wasserge-kühlten 75 𝑘𝑘-Synchronmotor aus dem Hause Osswald vom Typ MF16.3WI mit einer Nenndrehzahl von 1.750 𝑚𝑚𝑚−1 bei einem Nenndrehmoment von 409 𝑁𝑚. Der Motor treibt die 35 𝑚𝑚 Plastifizierschnecke mit einer Länge von 21 𝐷 an. Die Schnecke nimmt das Material auf und fördert es durch eine kurze, glatt ausgeführte Einzugszone in die Plastifizierzone. Die am Schneckenschaft eingebrachte mechanische Leistung wird nahezu ausschließlich dissipativ in Wärme umgewandelt. Lediglich ein geringer Anteil ist für den Druckaufbau not-wendig. Die dabei entstehende Schmelze wird durch die Bohrungen in der Schneckenhülse aus dem Schneckengang abgeführt und durch die langsam rotierende Schneckenhülse aktiv, aber schonender weitergefördert. Die Schne-ckenhülse wird dabei lediglich durch die wirkenden Schleppkräfte angetrieben und besitzt daher eine deutlich niedrigere Drehzahl als die Plastifizierschnecke. Die Drehzahl wird aus einem hochfrequent detektierten Drucksignal ermittelt und beträgt ca. 10 % der Schneckendrehzahl. Der Durchmesser der Schne-ckenhülse beträgt 60 𝑚𝑚, ihre Länge liegt bei ~6 𝐷 (bzw. ~10 𝐷 bezogen auf die 35 𝑚𝑚 Schnecke). An die vom Barrieresteg abgeschlossene Plastifizierzone schließt sich unmittelbar der 4 𝐷 Dynamic Mixing Ring an, dessen Hülse Be-standteil der Schneckenhülse ist. Für die Länge der Einzugszone verbleiben demnach 7 𝐷 . Sowohl die Plastifizierschnecke als auch die Schneckenhülse besitzen eine Gangsteigung von 1,2 𝐷. Die Temperierung erfolgt mittels wasser-temperierter Einzugsbuchse sowie einer 3-Zonen-Heiz-Kühl-Kombination.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 339

Dank des Direktantriebs der Plastifizierschnecke und des passiven Antriebs der Schneckenhülse über die wirkenden Schleppkräfte besitzt der High-Speed-S-Truder weiterhin einen einfachen Aufbau, der sich nur unwesentlich von der konventionellen Bauweise unterscheidet. Bild 5 und Bild 6 zeigen den High-Speed-S-Truder und gewähren einen Einblick in die Plastifizier- und Mischzone.

Bild 5: High-Speed-S-Truder mit Schneckenhülse und Direktantrieb

Bild 6: Plastifizier- und Mischzone des High-Speed-S-Truder mit frei rotie-

render Schneckenhülse

Die Plastifizierung und das Prinzip der Feststoff-Schmelze-Trennung im High-Speed-S-Truder bleiben bei Einsatz der neuen Schneckenhülse unverändert. Die entstehende Schmelze wird weiterhin aus dem Schneckengang der schnell

wassergekühlter Synchron-Direktantrieb

Drosselwerkzeug

Plastifizier- & Mischbereich mit 3-Zonen-Heiz-/Kühl-Kombination

Einzugszone

Schneckenhülse PlastifizierschneckeDynamic Mixing Ring

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 340

rotierenden Plastifizierschnecke abgeführt und wird somit keiner weiteren, un-nötig starken Scherbelastung ausgesetzt. Das unaufgeschmolzene Granulat im Schneckengang wird durch die Hülse sowie eine Barriere, die sich unmittelbar vor dem Mischelement auf der Schnecke befindet, zurückgehalten und kann die Schneckenhülse mit Ausnahme einiger weniger Partikel (vergl. High-Speed-S-Truder mit fixierter Plastifizierhülse) nicht verlassen. Aufgrund der Schmelzeab-fuhr wächst der Schmelzeanteil im Schneckengang nur geringfügig an und die Dicke des Schmelzefilms nimmt nur unwesentlich zu. Die Bildung eines Schmelzepools wird weitgehend unterdrückt. Die komplette Innenfläche der Schneckenhülse verbleibt stets in Kontakt zum Feststoffbett. Hieraus folgt, dass die Plastifizierleistung des Systems auf einem konstant hohen Niveau verbleibt. Bei herkömmlichen Extrudern nimmt die Plas-tifizierleistung hingegen kontinuierlich ab, da das Feststoffbett in seiner Breite stetig abnimmt. Durch die konstante Plastifizierrate kann die Verfahrenslänge des Extruders verkürzt werden. Verluste aufgrund von Wärmestrahlung und Konvektion werden reduziert. Zudem ergeben sich durch den dünn gehaltenen Schmelzefilm steigende Schergeschwindigkeit und daher deutlich höhere Dissi-pationsleistungen. Dies verbessert die Plastifizierleistung zusätzlich [5]. Die Schmelze im Gang der Schneckenhülse unterliegt einer aktiven, schonenden Förderung, wodurch einer möglichen Rückströmung entgegengewirkt wird. Zu-dem wird hierdurch auch das Material, das die Plastifizierschnecke bereits ver-lassen hat weiter homogenisiert. Die letztlich benötigte Homogenität wird durch den Dynamic Mixing Ring erzielt. Hier werden auch letzte, evtl. aufkommende Feststoffpartikel, die die Barriere passieren konnten, aufgeschmolzen. Somit ergeben sich folgende, theoretische Vorteile des High-Speed-S-Truder:

• Durch die verbesserte Plastifizierleistung verkürzt sich der S-Truder.

• Wärmeverluste werden durch die kurze Bauweise reduziert.

• Die Materialbelastung wird durch die kürzere Schneckenlänge und die schonendere Förderung im äußeren Schneckengang reduziert.

• Weniger Dissipation im bereits plastifizierten Material.

• Die Vermeidung unnötiger Dissipation gibt die Möglichkeit zur Drehzahl-erhöhung, ohne die zulässigen Schmelzetemperaturen zu überschreiten.

• Das Konzept zeichnet sich durch eine einfache Gestaltung aus.

• Hohe Schmelzequalität durch Einsatz eines dynamischen Mischers.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 341

3.1 Plastifizierversuche In umfangreichen Versuchsreihen wurde der High-Speed-S-Truder mit der Ver-arbeitung der Standardkunststoffe PE-LD, PE-LLD, PP und PS getestet. Dabei standen zunächst die maximal erreichbaren Schneckendrehzahlen sowie die zugehörigen Durchsätze bei Verwendung eines Drosselwerkzeuges (siehe Bild 4) im Vordergrund. Hierzu wurden in allen Versuchen verschiedene Be-triebspunkte unter einer schrittweise erfolgenden Drehzahlerhöhung angefah-ren, bis die zulässige Verarbeitungstemperatur des jeweiligen Materials über-schritten wurde. Ein Betriebspunkt wurde als konstant angesehen, wenn keine wesentlichen Änderungen in der gemessenen Schmelzetemperatur sowie dem aufgezeichneten Drehmoment erkennbar waren. Zur Gewährleistung der Ver-gleichbarkeit der Ergebnisse wurden die Einstellungen des Drosselwerkzeugs für alle Versuche konstant gehalten.

3.1.1 Vergleich von Schneckendesigns Im ersten Experiment wurden die Auswirkungen variierender Schneckengeome-trien untersucht. Als Referenz (Ref.) diente eine 35 𝑚𝑚 -Schnecke mit einer Länge von 21 𝐷 und einer Steigung von 1,2 𝐷. Die Gangtiefe wird über der Län-ge des innerhalb der Schneckenhülse gelegenen Abschnitts von 6 𝑚𝑚 auf 4 𝑚𝑚 verringert. Eine zweite Schnecke (6-2) mit identischem Aufbau verringert die Gangtiefe hingegen von 6 𝑚𝑚 auf 2 𝑚𝑚. Beide Schnecken wurden mit je zwei PE-LD-Materialien getestet (Lupolen 2420F und Lupolen 2420D). Dabei wurden jeweils identische Randbedingungen für beide Schnecken gewählt.

Bild 7: Vergleich der Ref.-Schnecke mit Schnecke 6-2 für Lupolen 2420 F

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 342

Eine maximale Schneckendrehzahl von 800 𝑚𝑚𝑚−1 bei einem Durchsatz von 115 𝑘𝑘 ℎ⁄ wurde bei der Verarbeitung des Lupolen 2420 F ermittelt. Mit Lupo-len 2420 D konnte die Drehzahl auf bis zu 600 𝑚𝑚𝑚−1 bei einem Durchsatz von 100 𝑘𝑘 ℎ⁄ gesteigert werden. Dann wurde jeweils die maximale Verarbeitungs-temperatur von 220 °𝐶 überschritten, Bild 7 und Bild 8. Die Schmelzetemperatu-ren wurden hierbei mittels herkömmlicher Messsensoren als kalorisch gemittel-te Werte unmittelbar vor dem Eintritt in das Drosselwerkzeug (siehe Bild 5) de-tektiert. Auch der Gegendruck wird an dieser Stelle aufgenommen.

Bild 8: Vergleich der Ref.-Schnecke mit Schnecke 6-2 für Lupolen 2420 D

Auffällig ist, dass die Ergebnisse für beide Materialien keinen Einfluss der Schneckengeometrien zeigen. Die Kurvenverläufe sind für beide Materialien und Schnecken nahezu identisch. Eine mögliche Erklärung stellt der eingangs erläuterte Aufschmelzverlauf dar. Es bildet sich durch die Schmelzeabfuhr ein dünner, intensiv gescherter Schmelzefilm an der Innenseite der Schneckenhül-se. Die dissipativen Vorgänge, d. h. das Aufschmelzen erfolgt im Wesentlichen in diesem Kontaktbereich zwischen Feststoff und Schneckenhülse. Da der Schmelzefilm im High-Speed-S-Truder stets dünn verbleibt, ist dieser Umstand deutlicher ausgeprägt als bei herkömmlichen Extrudern. Die Plastifizierleistung wird daher noch stärker von der Feststoffbettbreite dominiert. Da die Gangtie-fenabnahme für beide Schnecken über einem relativ langen Schneckenab-schnitt von 10 𝐷 verläuft, fallen die geometrischen Unterschiede sehr gering aus. Scheinbar sind auch die Aufschmelzverläufe daher in beiden Fällen ähn-lich. Solange die Feststoffbettbreiten nahezu identisch verbleiben, sind auch die Plastifizierleistungen übereinstimmend. Der Prozess wird so nur geringfügig von den Gangtiefenunterschieden beeinflusst.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 343

Eine dritte Schneckenvariante (6-4) verringert die Gangtiefe bereits vor Beginn der Schneckenhülse von 6 𝑚𝑚 auf 4 𝑚𝑚. Innerhalb der Hülse verbleibt sie kon-stant. Mittels dieser Geometrie sollte das vollständige Kompaktieren des Fest-stoffbetts vor Eintritt in die Schneckenhülse gefördert werden.

Bild 9: Vergleich der Ref.-Schnecke mit Schnecke 6-4 für Lupolen 2420 D

Wie in Bild 9 und Bild 10 zu sehen, sind die Auswirkungen stark vom verarbeite-ten Material abhängig. So verringerte sich der ermittelte Durchsatz im Vergleich mit der Referenz-Schnecke für das PE-LD (Lupolen 2420 D), wohingegen mit PE-LLD (DOW NG 5056 G) eine Steigerung verzeichnet werden konnte.

Die Veränderungen der Durchsätze lagen bei bis zu ± 15 %. Während die hö-here Kompression des Feststoffs beim PE-LLD zu einem besseren Aufschmel-zen führt, wird beim PE-LD das Förderverhalten des High-Speed-S-Truder durch die nun rapide verlaufende Gangtiefenreduzierung unmittelbar nach dem Einzug beeinträchtigt. Überraschender Weise sind die Auswirkungen auf die gemessenen Schmelzetemperaturen aber nahezu vernachlässigbar gering. Vergleichbare Auswirkungen sind auch für das amorphe Polystyrol PS 165 N aus dem Hause Styrolution zu beobachten (Bild 11). Ebenso wie beim PE-LD wirkt sich die rasche Gangtiefenänderung nachteilig auf den erzielten Durchsatz aus. Zwar konnten sowohl mit der Referenzschnecke als auch mit Schnecke 6-4 Drehzahlen von bis zu 800 𝑚𝑚𝑚−1 erreicht werden, ehe die erlaubte Maximal-temperatur des Materials von 240 °𝐶 überschritten wurde, jedoch nahm der Re-ferenzdurchsatz von 106 𝑘𝑘 ℎ⁄ um ~17% auf 90 𝑘𝑘 ℎ⁄ ab.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 344

Bild 10: Vergleich der Ref.-Schnecke mit Schnecke 6-4 für DOW NG 5056 G

Bild 11: Vergleich der Ref.-Schnecke mit Schnecke 6-4 für Styrol. PS 165 G Somit bleibt festzuhalten, dass die Gangtiefenänderung innerhalb der Schne-ckenhülse nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Plastifizierung hat. Eine verbesserte Kompaktierung des Feststoffbettes ist prinzipiell als positiv anzusehen. Hierfür ist jedoch eine ausreichende Länge der Einzugszone vorzu-

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Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 345

sehen, um eine Behinderung des Materialeinzugs bedingt durch eine zu rapide ablaufende Gangtiefenreduzierung vor der Schneckenhülse zu vermeiden.

3.1.2 Verarbeitung mit Materialvorwärmung Neben den bereits genannten Polymeren sollten auch Versuche mit PP-Typen (HC 205 TF und PPH 5042) durchgeführt werden. Es zeigte sich jedoch, dass ihre Verarbeitung mit dem High-Speed-S-Truder nicht möglich war. Das Material konnte bedingt durch seine - verglichen mit den bisherigen Kunststof-fen - deutlich höhere Aufschmelzenthalpie nicht ausreichend in der Einzugszo-ne angeschmolzen und das Feststoffbett genügend verfestigt werden. „Ra-schelgeräusche“ innerhalb der Schneckenhülse ließen das Eindringen losen Granulates vermuten. Das Antreiben der Hülse erfolgte hier nicht durch Schleppkräfte, sondern primär durch das Mitreißen durch verkeilten Feststoff. Drehzahlen der Schneckenhülse wurden gemessen, die über 80 % der Schne-ckendrehzahl betrugen. Eine geringe relative Schneckendrehzahl und unzu-reichende Plastifizierleistung waren die Folge. Hieraus lässt sich ableiten, dass die Länge der Einzugszone zu kurz dimensioniert wurde. Eine längere Einzugs-zone sollte daher durch eine Vorwärmung des Granulates „simuliert“ werden. Auch dies brachte jedoch keinen Erfolg für die PP-Verarbeitung.

Bild 12: Auswirkungen der Materialvorwärmung für Lupolen 2420 D

Ein positiver Effekt konnte aber für PE-LD (Lupolen 2420D) nachgewiesen wer-den (Bild 12). Das Material wurde auf 90 °𝐶, d. h. bis unmittelbar vor den Auf-schmelzbeginn, vorgewärmt. Anschließend wurde es unter Verwendung der Referenzschnecke verarbeitet. Die Randbedingungen wurden identisch zur Verarbeitung von unvorgewärmten Material aus den vorherigen Versuchen ge-

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Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 346

wählt. Bei vergleichbarer Temperaturentwicklung konnte der Durchsatz so um etwa 25 % angehoben werden.

3.1.3 Versuche an einer Blasfolienanlage (Schmelzequalität) Eine geplante Analyse der Schmelzehomogenität mittels der Entnahme von Probesträngen sowie dem Anfertigen und Auswerten von Dünnschnitten war nicht möglich, da sich in den Versuchen zeigte, dass ein gewisser Gegendruck notwendig ist, um ein „Leerfahren“ der Schneckenhülse zu vermeiden, was ein zu schnelles Mitdrehen der Hülse und damit einen Einbruch der Plastifizierleis-tung zur Folge hatte. Daher war ein Betrieb ohne das Drosselwerkzeug, wel-ches das Ergebnis der Homogenitätsanalyse erheblich beeinflusst hätte, nicht möglich. Eine Adaption des High-Speed-S-Truders an die laboreigene Blasfoli-enanlage ließ jedoch gute Resultate in der Folienproduktion erkennen, wodurch auf eine deutlich verbesserte Schmelzequalität gegenüber anderen High-Speed-System geschlussfolgert werden kann. Der Dynamic Mixing Ring er-zeugt eine ansprechende Homogenität des Extrudats, ist allerdings maßgeblich an der starken Erwärmung der Schmelze beteiligt (vergl. [11]). Die zuvor nicht erreichte Schmelzehomogenität wird im neuen High-Speed-S-Truder auf Kos-ten einer weiteren Drehzahlsteigerung erkauft. Dennoch lassen sich bereits be-achtliche Drehzahlen und Durchsätze bei guter Extrudatqualität erzielen. Für eine weitere Leistungssteigerung müssen in zukünftigen Arbeiten dynamische Mischelemente an die High-Speed-Extrusion angepasst werden.

3.2 Schneckenzugversuche Auch mit dem neuen High-Speed-S-Truder wurde ein Schneckenzugversuch durchgeführt. Der in Bild 10 gezeigte Versuch mit PE-LLD (Dow NG 5056 G) wurde hierzu wiederholt. Dabei wurde die Schneckendrehzahl bis auf 400 𝑚𝑚𝑚−1 gesteigert. Nach Erreichen eines konstanten Betriebspunktes wur-den dem Granulat 2 %𝐺𝐺𝐺. schwarzes Farb-Batch beigefügt. Die Verarbeitung wurde abrupt gestoppt, sobald schwarz gefärbte Schmelze das Drosselwerk-zeug verlies. Anschließend wurde der High-Speed-S-Truder bei stehender Schnecke gekühlt, bis die Schmelze im Inneren erstarrt war und die Schne-ckenhülse mit dem erkalteten Kunststoff in ihrem Schneckengang wurde gezo-gen sowie Dünnschnitte angefertigt, Bild 13.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 347

Bild 13: Schnittbilder der Materialproben aus dem Gang der Schneckenhülse

Deutlich zeichnet sich ein Farbverlauf in axialer Richtung von weißem, unge-färbtem Material bis hin zu schwarz durchgefärbter Schmelze ab. Dieses Resul-tat stützt die Erkenntnis, dass die Einzugszone verlängert werden sollte. Auf-grund der kurzen Einzugszone schmilzt nur unzureichend Material auf, bevor die ersten Bohrungsreihen der Schneckenhülse erreicht werden. Somit liegt keine ausreichende Schmelzemenge vor, um die ersten Windungen der Schne-ckenhülse zu spülen. Daher verblieben diese im Experiment mit uneingefärbt weißem Material gefüllt. Zudem deutet der erkennbare Farbverlauf erneut auf die von Großmann beobachtete [5], uneinheitliche Abfuhr der Schmelze hin. Eine entsprechende Anpassung der Schneckengeometrie ist daher vorgese-hen.

3.3 CFD-Simulation der Plastifiziervorgänge (2) Auch die Plastifizierung im neuen High-Speed-S-Truder mit rotierender Schne-ckenhülse wurde mithilfe von CFD-Simulationen untersucht. Diese wurden ana-log zum Vorgehen in Kapitel 2.2 durchgeführt. Betrachtet wurde der in Bild 8 aufgetragene Betriebspunkt zur Verarbeitung von Lupolen 2420D mit einer Schneckendrehzahl von 800 𝑚𝑚𝑚−1. Die Drehzahl der Schneckenhülse beträgt 125 𝑚𝑚𝑚−1, der Druck am Ende der Plastifizierzone liegt bei etwa 240 𝑏𝑏𝑏 und der Durchsatz erreicht 116 𝑘𝑘 ℎ⁄ . Alle Randbedingungen wurden entsprechend von Messungen aus dem praktischen Versuch gewählt. Das Feststoffbett wurde erneut als vollständig kompaktiert und mit einer Eingangstemperatur von 25 °𝐶 angenommen. Die Zylindertemperatur betrug 230 °𝐶, die Schneckenhülse und die Plastifizierschnecke wurden als adiabat definiert. Das nachfolgende Bild 14 gibt die Verteilung von Feststoff und Schmelze wie-der. Auch hier zeigen blaue Bereiche die Lage des reinen Feststoffs an, wohin-gegen rote Bereiche Schmelze repräsentieren. Gut erkennbar ist, dass der Schmelzepool deutlich ausgeprägter ist als beim HSST mit fixierter Plastifizier-

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hülse. Aber auch hier kommt es zu einem Aufstauen des Feststoffs an der Bar-riere der Plastifizierschnecke, wodurch der Schmelzepool vollständig abgebaut wird und die Schmelze durch die Bohrungen der Hülse nach außen tritt. Weiter-hin ist das Durchströmen der letzten Bohrungsreihen mit nicht vollständig plasti-fiziertem Material zu erkennen. Der Anteil des nicht plastifizierten Materials ist jedoch nur sehr gering, sodass diese Granulatreste beim Durchströmen des anschließenden DMRs aufschmelzen und nicht mehr im Extrudat vorzufinden sein dürften.

Bild 14: Schmelze-Feststoff-Verteilung im High-Speed-S-Truder mit rotieren-

der Plastifizierhülse

Der Vektorplot zeigt, dass trotz der Förderung durch die Schneckenhülse ein leichtes Rückströmen der Schmelze vorliegt. Dies wird auf eine nach wie vor ungleichmäßige Schmelzeabfuhr zurückgeführt. Der Druckgradient im Gang der Schneckenhülse, Bild 15, wird nicht durch die Rotation der Hülse aufgebaut, sondern primär durch die Bohrungen aus dem Gang der Plastifizierschnecke übertragen. Der Gradient wirkt der Förderung entgegen und eine Rückströmung setzt ein. Das Material fließt wie zuvor teilweise zurück und durch die Bohrun-gen erneut in den Gang der Plastifizierschnecke. Da die Schneckenhülse länger ausgeführt ist als die fixierte Plastifizierhülse und zudem ein größerer Anteil von der Rückströmung betroffen ist als zuvor, ist die Bildung der Schmelzewirbelbil-dung durch rückfließende Schmelze stärker ausgeprägt als in den vorherigen Versuchen. Dies bekräftigt noch einmal das Vorhaben, die Schmelzeabfuhr über der Länge des HSST durch ein verbessertes Design der Plastifizierschne-cke zu vergleichmäßigen. Auch ist eine Verkürzung der Schneckenhülse denk-bar, um dieses Vorhaben etwas zu erleichtern.

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Bild 15: Druckverteilung im High-Speed-S-Truder mit rotierender Plastifizier-

hülse

4 FAZIT

Die Erhöhung des Massedurchsatzes zur Leistungssteigerung von Einschne-ckenextrudern bei gleichbleibender Baugröße kann durch die Steigerung der Schneckendrehzahl erzielt werden. Hierdurch wird die Entwicklung von Schnell-läufern forciert. Der Einsatz schnelldrehender konventioneller Extruder bringt jedoch Probleme mit sich. Aus vielen praktischen Erfahrungen ist bekannt, dass die Förderrate mit steigender Schneckendrehzahl absinkt. Als Folge dieses Verhaltens werden sehr schnell Grenzen der maximal zulässigen Schmelze-temperatur erreicht. Zudem wird über unaufgeschmolzene Kunststoffpartikel im Extrudat aufgrund von abnehmenden Verweilzeiten und übermäßige Material-belastung berichtet. Am Institut für Produkt Engineering der Universität Duisburg-Essen wird daher ein neuartiges High-Speed-Extrusionskonzept, der sogenannte High-Speed-S-Truder, entwickelt, das auf der Trennung von Schmelze und Feststoff mittels einer speziellen Schneckenhülse beruht. Aufgeschmolzenes Material wird durch zahlreiche, radiale Bohrungen in der Hülse vom Feststoff separiert und materi-alschonend im Gang der langsam rotierenden Schneckenhülse zur Schnecken-spitze geführt. Das Konzept ermöglicht eine konstant hohe Plastifizierleistung und reduziert zudem die mit steigender Schneckendrehzahl stark zunehmende Schererwärmung. Eine ausreichende stoffliche und thermische Homogenität konnte dank des Einsatzes eines Dynamic Mixing Rings erzielt werden. Dieser bewirkt allerdings auch eine starke Schmelzeerwärmung, wodurch die erzielba-ren Drehzahlen und Durchsätze gemindert werden.

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Untersuchungen bezüglich des Plastifizierprozesses zeigten zudem eine erneut tendenziell späte Abführung des überwiegenden Schmelzeanteils in der zweiten Hälfte der Schneckenhülse. Dies kann u. a. auf eine unzureichend lang dimen-sionierte Einzugszone zurückgeführt werden. Bis zum Erreichen der Schne-ckenhülse wird nicht ausreichend Material plastifiziert, sodass nicht genügend Schmelze zur Abfuhr aus den ersten Bohrungsreihen bereit steht. Auch ist der Druckaufbau über der Schnecke als mögliche Ursache zu nennen. Mit steigen-dem Druck im Schneckengang wächst die treibende Kraft für die Schmelzeab-fuhr an. Entsprechend werden variierende Schmelzemengen durch die einzel-nen Bohrungen gepresst. Dies wurde bereits in Arbeiten mit dem High-Speed-S-Truder mit fixierter Plastifizierhülse deutlich. In weiteren Arbeiten gilt es daher die Einzugszone zu verlängern, die Schmel-zeabfuhr über der Hülsenlänge zu vergleichmäßigen sowie die Geometrie des Dynamic Mixing Rings an den High-Speed-Betrieb anzupassen.

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 351

LITERATUR

[1] Chung, C.I. Extrusion of Polymers: Theory and Practice 2. Aufl., Carl Hanser Verlag, München, 2011

[2] Pape, J.

Grundlagen der Prozesssimulation von Einschne-ckenkonzepten zur Hochleistungsplastifizierung Dissertation, Universität Paderborn, 2006

[3] Pohl, T.

Entwicklung schnelldrehender Einschneckensysteme für die Kunststoffverarbeitung auf Basis theoretischer Grundlagenuntersuchungen Dissertation, Universität GH Paderborn, 2003

[4] Wortberg, J.; Michels, R.:

Innovative Entwicklungen in der Einschneckenextru-sion – Möglichkeiten und Grenzen der Hochleis-tungsextrusion Der Einschneckenextruder, VDI-Gesellschaft Kunst-stofftechnik, 1997

[5] Großmann, M.

Leistungs- und Effizienzsteigerung in der Einschne-ckenextrusion durch alternative Plastifiziertechnik Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

[6] Predöhl, W.

Technologie extrudierter Kunststoffolien VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1979

[7] Roth, M.

Schnelllaufende Einschneckenextruder – Entwick-lungsstand VDI Tagungsband „Extrusionstechnik 2010“, S. 21-32, 2010

[8] Limper, A. Verfahrenstechnik der Thermoplastextrusion Carl Hanser Verlag, München, 2013 DOI: 10.3139/9783446428669

[9] Johannaber, F.

Kunststoff-Maschinenführer Carl Hanser Verlag, München, Wien, 2004

[10] Rahal, H.

Alternative Methoden zur Feststoffförderung und Plastifizierung in der Extrusionstechnik Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2008

[11] Gorczyca, P.

Analyse und Optimierung von Einschneckenextru-dern mit schnelldrehenden Schnecken Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2011

[12] Imhoff, A.

Dreidimensionale Beschreibung der Vorgänge in ei-nem Einschneckenextruder Dissertation, RWTH Aachen, 2004

[13] Michels, R.

Verbesserung der Verarbeitungsbandbreite und der Leistungsfähigkeit von Einschneckenextrudern Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2005

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sche

n V

erte

ilern

.

Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 352

[14] Capone, C.; Di Landro, L.; Penco, M.; Sartore, L.

Thermal and Mechanical Degradation during Poly-mer Extrusion Processing Polymer Engineering & Science, Vol. 47, Nr. 11, S. 1813-1819, 2007; DOI: 10.1002/pen.20882

[15] Costa, H.M.; Ramos, V.D.; Oliveira, M.G.

Degradation of Polypropylene (PP) during multiple Extrusions: Thermal Analysis, Mechanical Properties and Analysis of Variance Polymer Testing, Vol. 26, Nr. 5, S. 676-684, 2007 DOI: 10.1016/j.polymertesting.2007.04.003

[16] Littek, S.; Schneider, M.; Huber, K.; Schöppner, V.

Messungen zum Materialabbau von Polypropylen Kunststofftechnik – Journal of Plastics Techn., Vol. 8, Nr. 4, S. 415-438, 2012

[17] Ehrenstein, G.; Pongratz, S.

Resistance and Stability of Polymers Carl Hanser Verlag, München, 2013 DOI: 10.3139/9783446437098.fm

[18] Littek, S.; Schöppner, V.; Huber, K.

Comparison between the calculated and measured Molecular Weight Loss in Single Screw Extrusion Proceedings of the 29th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Nürnberg, 2013

[19] Littek, S.; Schöppner, V.

Berechnung des Materialabbaus von Thermoplasten während des Plastifiziervorgangs Polymertec 2014, Merseburg, 2014

[20] Littek, S.; Schöppner, V.

Measurement and Calculation of the Material Degra-dation of Polystyrene and Modeling of the Degrada-tion by using REX Proceedings of the 30th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Cleveland, USA, 2014

[21] Hörmann, H.

Theoretische und experimentelle Betrachtung schnelllaufender Einschneckenextruder Dissertation, Universität Paderborn, 2014

[22] Kaczmarek, D.

Feststoffförderung und alternative Plastifizierung bei der Extrusion Dissertation, Universität Duisburg-Essen, 2004

[23] Kast, O.; Bonten, C.

Schnelllaufende Einschneckenextruder mit genuteter Plastifizierzone 24. Stuttgarter Kunststoffkolloqium, Stuttgart, 2015

[24] Grünschloß, E.

A new style Single Screw Extruder with improved Plastification and Output Power International Polymer Processing, Vol. 17, Nr. 4, S. 291-300, 2002

© 2

015

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.

Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 353

DOI: 10.3139/217.1703 [25] Grünschloß, E.

A powerful universal Plasticating System for Single-Screw Extruders and Injection-Moulding Machines International Polymer Processing, Vol. 18, Nr. 3, S. 226-234, 2003 DOI: 10.3139/217.1752

[26] Grünschloß, E.

Der HELIBAR-Einschneckenextruder mit verbesser-ter Plastifizier- und Förderleistung Der Einschneckenextruder von Morgen, VDI-Verlag, Düsseldorf, 2006

[27] Grünschloß, E.

HELIBAR – a powerful Single Screw Plasticizing System SPE-Antec Conference, Cincinnati, USA, 2007

[28] Barr, R. Extruder Screw with internal Bore for Melt Transport European Patent EP1057612A1, 1999

[29] Karrenberg, G.; Wortberg, J.

3D-CFD-Simulation of Melting Processes in a High-Speed-Extruder with Solid-Melt-Separation, Proceedings of the 29th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Nürnberg, 2013; DOI: 10.1063/1.4873857

[30] Karrenberg, G.; Wortberg, J.

3D-CFD-Simulation of Polymer Plastification in a Single Screw Extruder under High-Speed Conditions, SPE Antec Conference, Cincinnati, USA,2013

[31] Karrenberg, G.; Wortberg, J.

Development of a custom Material Model for 3D-CFD-Simulation of Melting Processes in Polymer Processing, SPE Antec Conference, Las Vegas, USA, 2014

Bibliography DOI 10.3139/O999.02052015 Zeitschrift Kunststofftechnik / Journal of Plastics Technology 11 (2015) 5; page 328–354 © Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG ISSN 1864 – 2217

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Wortberg, Karrenberg Plastifizierkonzepte für die HS-Extrusion

Zeitschrift Kunststofftechnik 11 (2015) 5 354

Stichworte: High-Speed-Extrusion, Plastifizierkonzepte, alternative Plastifizierung, Feststoff-Schmelze-Trennung Keywords: High-Speed-Extrusion, Plastification Concepts, alternative Plastification, Solid-Melt-Separation Autor / author: Dipl.-Ing. Gregor Karrenberg Prof. Dr.-Ing.Johannes Wortberg Institut für Produkt Engineering Universität Duisburg-Essen Lotharstraße 1 47057 Duisburg

E-Mail: gregor.karrenberg@uni-due.de Webseite: www.uni-due.de/kkm Tel.: +49 (0)203/379-2781 Fax: +49 (0)203/379-4379

Herausgeber / Editors: Editor-in-Chief Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. Gottfried W. Ehrenstein Lehrstuhl für Kunststofftechnik, Universität Erlangen-Nürnberg Phone: +49 (0)9131/85 – 29701; Fax.: +49 (0)9131/85 – 29709, E-Mail: ehrenstein@lkt.uni-erlangen.de Europa / Europe Prof. Dr.-Ing. Dietmar Drummer, verantwortlich Lehrstuhl für Kunststofftechnik Universität Erlangen-Nürnberg Am Weichselgarten 9 91058 Erlangen Deutschland Tel.: +49 (0)9131/85 - 29701 Fax: +49 (0)9131/85 - 29709 E-Mail: drummer@lkt.uni-erlangen.de

Amerika / The Americas Prof. Prof. hon. Dr. Tim A. Osswald, respon-sible Polymer Engineering Center, Director University of Wisconsin-Madison 1513 University Avenue Madison, WI 53706 USA Tel.: +1/608 263 9538 Fax: +1/608 265 2316 E-Mail: osswald@engr.wisc.edu

Verlag / Publisher: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG Wolfgang Beisler Geschäftsführer Kolbergerstraße 22 D-81679 München Tel.: +49 (0)89 99830-0 Fax: +49 (0)89 984809 E-Mail: info@hanser.de

Redaktion / Editorial Office: Dr.-Ing. Eva Bittmann Christopher Fischer, M.Sc. E-Mail: redaktion@kunststofftech.com Beirat / Advisory Board: Experten aus Forschung und Industrie, gelis-tet unter www.kunststofftech.com

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